[論文レビュー] Unconventional superconductivity in CuxBi2Se3

T. Kirzhner, E. Lahoud+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Topological Materials and Phenomena参考文献 13被引用数 39

ひとこと要約

本研究は、点接触分光法を用いてCu₀.₂Bi₂Se₃単結晶における非規定的超伝導性を調査し、3つの異なるスペクトルを特定した。それぞれは、0.6 mVのギャップを示すアンドレエフ反射、Tc（約10 K）より高い温度でも持続する大ギャップ特徴、およびゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）と2 meVの大ギャップ（2Δ/kBTc ≈ 14）を示すトンネル効果に類似したスペクトルである。ZBCPと大ギャップは、マヨラナフェルミオンを伴う可能性のあるトポロジカル超伝導を示唆するが、2チャネルモデルの可能性も排除できない。

ABSTRACT

We report point contact measurements in high quality single crystals of Cu0.2Bi2Se3. We observe three different kinds of spectra: (1) Andreev-reflection spectra, from which we infer a superconducting gap size of 0.6mV; (2) spectra with a large gap which closes above Tc at about 10K; and (3) tunneling-like spectra with zero-bias conductance peaks. These tunneling spectra show a very large gap of ~2meV (2Delta/KTc ~ 14).

研究の動機と目的

• 超伝導的Cu₀.₂Bi₂Se₃単結晶の対称性およびトポロジカル性質を調べること。
• Cu₀.₂Bi₂Se₃がトポロジカル超伝導体の挙動と整合する非規定的超伝導性を示すかどうかを特定すること。
• 点接触測定で観測されたゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）および大超伝導ギャップの起源を調査すること。
• 本系における表面アンドレエフ束縛状態を介してマヨラナフェルミオンを保持する可能性を評価すること。

提案手法

• 高品質なCu₀.₂Bi₂Se₃単結晶の割れ面（001）を用い、金（Au）のチップを用いた点接触分光法を実施した。
• 1.8 Kで四端子ロックイン法を用いて微分電導度を測定し、超伝導ギャップ構造を調べた。
• ギャップサイズおよび障壁透過率を抽出するために、アンドレエフ反射のBTKモデルをスペクトル解析に用いた。
• 温度および磁場依存測定を用いてギャップの進化およびZBCPの抑制を調査した。
• ARPESおよび抵抗率/SQUIDデータと照合することで、電子構造と体積的超伝導性の相関を評価した。
• ZBCPの背後にある競合するメカニズム、特にトポロジカル表面状態と2つの並列伝導チャネルの可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cu₀.₂Bi₂Se₃における超伝導の対称性は何か？ また、非規定的特性を示すか？
• RQ2 観測されたゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）は、トポロジカル表面アンドレエフ束縛状態に起因するのか、それとも他のメカニズムに起因するのか？
• RQ3 Tc（約10 K）より高い温度でも持続する大ギャップ（2–5 meV）の起源は何か？
• RQ4 大ギャップとTcの比（2Δ/kBTc ≈ 14）は、従来のBCS理論で説明可能か？ それとも非規定的対称性を示唆するか？
• RQ5 分散的アンドレエフ束縛状態の存在を通じて、Cu₀.₂Bi₂Se₃にマヨラナフェルミオンの証拠があるか？

主な発見

• 点接触測定により、3つの異なるスペクトルタイプが特定された：0.6 mVのギャップを示すアンドレエフ反射、10 Kまで持続する大ギャップ特徴、およびZBCPを示すトンネル効果に類似したスペクトル。
• ZBCPは2 Tの磁場で抑制され、約2.1 Kで消失した。これは、BCSとは異なる温度依存性を示唆する。
• 2 meVの大きなギャップ（2Δ/kBTc ≈ 14）は、従来のBCS超伝導性とは整合せず、非規定的対称性を示唆する。
• ±2 mVにおけるスペクトルの谷は非常に大きな超伝導ギャップを示唆しており、ZBCPと同等の幅を有する。このことは、2チャネル伝導モデルを支持する。
• ARPESデータは、銅のインターカレーションによるn型ドーピングが確認され、ディラック点が約180 meVシフトしたが、トポロジカル表面状態は保持された。
• 観測されたスペクトルは、時間反転対称性を破る、奇数パリティのトポロジカル超伝導体がマヨラナフェルミオンを宿すという理論的予測と整合する。